汇编语言 - CPU与存储器

汇编语言 - CPU与存储器

CPU，也就是中央处理器(Central Processing Unit)，是计算机的核心部件，计算机需要向CPU提供指令和数据才能够让CPU运行，指令和数据存放在内存中，而CPU运算后的结果也需要进行保存才有意义，通常保存在内存中。

现在的计算机大部分都是基于冯诺依曼体系结构，而冯诺依曼体系的核心是存储程序， 顺序执行。

1. 冯诺依曼体系结构

冯诺依曼体系结构特点：

1. 计算机中程序和数据使用二进制表示
2. 指令和程序不加区分地混合存储在同一个存储器中
3. 计算机顺序执行每一条指令
4. 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成

冯诺依曼体系结构必须要有以下功能：

1. 将需要的指令和数据送入计算机中
2. 必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力
3. 能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力
4. 能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作
5. 能够按照要求将处理结果输出给用户

从上面的结论来看，计算机中，内存和CPU是整个计算机最重要的部分，学习汇编语言，其实并不是非得使用汇编语言进行编程，而是能够通过学习汇编语言，了解CPU和内存之间的运行机制。

2. 存储设备

内存的逻辑结构

一个存储设备被划分为若干个单元，内存就是一块线性的空间

下图是一个拥有 n 个存储单元的内存空间，按照字节编址。

一个存储单元为一个字节（Byte），一个字节能够存储8个比特（bit），一个比特能够存储一个0或者一个1

常用单位转换：

8bit = 1Byte

2¹⁰ Byte = 1 KB

2¹⁰ KB = 1 MB

2¹⁰ MB = 1 GB

2¹⁰ GB = 1 TB

3. CPU 与内存的交互

内存被划分为多个单元，存储单元从0开始编号，每个单元都有唯一与之对应的编号。

CPU如果需要从内存中读写数据/指令，那就需要知道数据/指令的地址，并且将需写的数据发送到内存中，或者从内存中将需要的数据拿出来。

所以CPU和内存的交互需要三种信息。

1. 存储单元的地址（地址信息）
2. 命令的选择，读或者写（控制信息）
3. 需要读或者写的数据（数据信息）

在物理设备上，CPU和内存之间需要使用导线连接以传送信息，连接CPU和内存之间的线被称为总线。

总线又分为：

1. 地址线（传送地址信息）
2. 数据线（传送数据信息）
3. 控制线（传送控制信息）

每条线分别传送CPU和内存交互时需要的对应的信息

以下是CPU对内存进行的一次读写操作

读命令：3

1. CPU首先发出读命令和需要读取操作的内存地址 5
2. 然后将内存地址为 5 的内存单元中的数据 BC 通过数据线送入CPU

写命令：

1. CPU首先发出写命令和需要进行写操作的内存地址 6
2. 然后CPU将需要写的数据 FF 通过数据线送入内存中地址为 6 的单元

4. 总线

总线是CPU对内存进行交互的重要通道

4.1 地址总线

现在我们知道了，CPU 是通过地址总线进行寻址的，地址总线越多，可以寻址的范围就越大，也就是地址总线的宽度决定了 CPU 可以寻址的大小。

假如地址总线有 3 条，那么 3 个 bit 可以表示的数字为 0 - 7,那么内存最大也就只有 8 个 Byte

加入地址总线有 10 条，那么10个 bit 可以表示的数字为 0 - 1023，那么内存最大也就只有 1024Byte = 1KB

下图地址总线有 5 条，那么寻址范围为 0 到 2⁵ - 1

4.2 数据总线

CPU与内存之间的数据传送是通过数据总线进行的，总线越宽，代表了一次能传送的数据也就越多

例如传送四个比特：

数据总线宽度为 2 的时候，需要传送两次

数据总线宽度为 4 的时候，只需要传送一次

很明显，只需要传送一次的效率肯定比需要传送两次的效率高。

4.3 控制总线

控制总线是选择对内存的操作，现在暂时只会遇到读操作，写操作。用一根线完全能够表示两种信息。

控制总线的宽度就是CPU能够对内存进行的控制数量，只是目前暂时只会遇到读或者写。

5. 相关练习题

1. 一个 CPU 的寻址能力为 8 KB，那么它的地址总线的宽度为？

2. 1 KB 的存储器有多少个存储单元？存储单元的编号又从多少到多少？

3. 1 KB 的存储器可以存储多少个 bit ？

4. 1 KB 的存储器可以存储多少个 Byte ？

5. 1GB、1MB、1KB分别是多少 Byte?

6. 8086、8088、80286、80386型号CPU地址总线宽度分别为16根，20根，24根，32根，则它们的寻址能力分别为多少KB？

7. 8080、8088、8086、80286、80386的数据总线宽度分别为 8根，8根，16根，16根，32根，则它们分别一次可以传送的数据为多少Byte？

8. 从内存中读取1024Byte的数据，8086至少需要读多少次，80836至少需要读多少次。

9. 在存储器中，指令和数据是以什么形式存放的？K

答案：

1. 13
2. 1024个存储单元，编号为 0 - 1023
3. 2¹³ 个 bit
4. 1024 个Byte
5. 分别为 2³⁰, 2²⁰, 2¹⁰
6. 分别为 2⁶， 2¹⁰，2¹⁴，2²² KB
7. 分别为1， 1， 2， 2， 4 Byte
8. 512次，1024次
9. 以二进制形式存放